Субатомные электроны, протоны частицы и нейтроны

Первую современную атомистическую теорию выдвинул Джон Дальтон. Он предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. Эти частицы предполагались неделимыми и неизменными в ходе химической реакции. Дальтон приписал атомам таких элементов, как водород, кислород, азот и сера, определенные относительные веса (точнее, массы), а также дал каждому элементу определенный символ.

Однако в конце XIX века был сделан ряд открытий, показавших, что атом вовсе не является неделимой частицей, а состоит из субатомных частиц. Первое из этих открытий основывалось на изучении лучей, испускаемых отрицательно заряженным электродом. Существование этих катодных лучей было продемонстрировано в 70-х годах XIX века в целом ряде экспериментов, ко-■ торые выполнили Крукс и Гольдштейн. Например, в эксперименте Крукса с турбинкой катодные лучи вращали крохотную турбинку на стеклянной подвеске. В 1895 г. Вильгельм Рентген открыл Х-лучи, названные в дальнейшем рентгеновскими лучами. В следующем году Антуан Анри Беккерель показал, что соль урана самопроизвольно испускает невидимое излучение, подобное рентгеновским лучам; явление было названо радиоактивностью. За свои исследования Рентген и Беккерель были удостоены Нобелевской премии.

Джозеф Джон Томсон, открывший электрон в 1897 г. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г. Его сын, Джордж Паджет Томсон своими исследованиями дифракции электронов при прохождении через золотую фольгу подтвердил теорию Луи де Бройля. согласно которой свободные электроны ведут себя одновременно как волны и как частицы. Дж. Паджет Томсон получил вместе с К. Дэвиссоном Нобелевскую премию по физике в 1937 г. за открытие дифракции электронов на кристаллах.

Электрон. Электрон был первой из обнаруженных субатомных частиц. В 1874 г. Дж. Дж. Стоней предположил, что электрический ток представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, названных им в 1891 г. электронами. Однако приоритет открытия электрона почти повсеместно признается за Дж. Дж. Томсоном, который определил удельный заряд и относительную массу электрона.

 

 

Рис. 1.1. Прибор Томсона. 1-катод (—); 2-анод (+) с отверстием; 3-вторичные электроды для отклонения катодных лучей; 4-отклоненное пятно; 5-неотклонен-ное пятно; 6-люминесцентный экран.

 

Р. Э. Милликен. Р. С. Малликен. иногда из-за сходства фамилий путают Милликена с Малликеном. Оба они лауреаты Нобелевской премии. Роберт Эндрус Милликен-американский физик, который определил заряд электрона в опытах с капельками масла. В этом эксперименте он создавал электрические заряды на мельчайших капельках масла, воздействуя на них рентгеновскими лучами. Капельки медленно оседали в пространстве между двумя горизонтальными пластинами конденсатора. Массу отдельной капельки можно было определить, измеряя скорость ее падения. Затем пластины конденсатора заряжали, и это приводило к изменению скорости падения заряженных капелек. Измерение скорости капелек позволяло Милликену вычислить находящиеся на них заряды. Хотя заряды на капельках были неодинаковыми, обнаружилось, что все они кратны некоторой величине, которая представляет собой заряд электрона. Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 г.

Роберт Сандерсон Малликен-американский химик и физик, награжден Нобелевской премией по химии в 1966 г. за теоретические исследования природы химической связи и молекулярной структуры. В 1920-е годы применил квантовую механику к теоретическому описанию химической связи и интерпретации молекулярных спектров. В частности, ввел представление о молекулярных орбиталях и показал, что электроны могут быть делокализованы на связях, описываемых молекулярными орбиталями (см. гл. 2).

Томсон открыл электрон в результате исследований с катодными лучами. Схематическое изображение разрядной трубки, которой он пользовался для получения катодных лучей, показано на рис. 1.1. Создав в разрядной трубке низкое давление и высокое напряжение (1500 В и выше), Томсон получил катодные лучи, которые образовывали на люминесцентном экране хорошо заметное пятно. Это пятно можно было отклонять в сторону с помощью электрического поля, создаваемого вторичными электродами. Пятно отклонялось в сторону также под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю (это не показано на рисунке). Указанные наблюдения привели Томсона к выводу, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, названных электронами. Проводя измерения напряженности магнитного и электрического полей и соответствующего

Томсон смог вычислить отношение заряда к массе (е/т) для этих частиц. Он установил, что независимо от того, какой газ использовался для наполнения разрядной трубки, значение е/т оставалось неизменным. На этом основании Томсон заключил, что атомы всех элементов содержат электроны.

Протон. Второй по очередности открытия субатомных частиц был протон. В 1886 г. Гольдштейн наблюдал положительно заряженные лучи, испускаемые перфорированным катодом. Он назвал их каналовыми лучами (рис. 1.2).

В 1899 г. Резерфорд открыл радиоактивное а- и р-излучение. Приблизительно в то же время Томсон предложил свою модель строения атома, позволяющую объяснить наличие у атома отрицательно и положительно заряженных частей (модель «сливового пудинга», см. ниже).

Рис. 1.2. Каналовые лучи, открытые Гольдштейном. 1 - анод (+); 2 - катод (—) с отверстиями; 3 - вторичный электрод для отклонения каналовых лучей.

 

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии 30 августа 1871 г. В возрасте 27 лет стал профессором физики в Университете Мак-Гилла в канадском городе Монреале и вскоре сделался одним из ведущих специалистов в быстро развивавшейся области исследования радиоактивности. Он открыл несколько радиоактивных элементов и установил наличие двух типов радиоактивного излучения: а- и р-излучение. Вместе с Фредериком Содди он обнаружил, что радиоактивность характеризуется определенным периодом полураспада. В 1907 г. Резерфорд переехал в Англию, где в Манчестерском университете в 1909 г. вместе с Хансом Гейгером еще раз доказал, что а-частицы представляют собой двухзарядные ионы гелия. В 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию за исследования радиоактивности. В 1910 г. вместе с Гейгером и Марсде-ном он обнаружил, что а-частицы, проходящие через тонкую металлическую фольгу, отклоняются от первоначального направления движения. Это открытие привело Резерфорда в 1911 г. к созданию новой, планетарной, модели строения атома. В 1914 г. он высказал предположение о существовании протона, а в 1920 г. предсказал существование нейтрона. За научные заслуги в 1914 г. Резерфорд по английскому обычаю был возведен в рыцарское достоинство, а в 1921 г. награжден орденом «За заслуги». С 1915 по1930 г. он был президентом Лондонского королевского общества, а в 1931 г. получил титул пэра. Ои умер 19 октября 1937 г. Резерфорд, несомненно, является одним из самых выдающихся ученых XX века.

Рис. 1.3. Эксперимент Гейгера и Марсдена. а -рассеяние а-частиц после пропускания через листок тонкой золотой фольги. Большинство частиц проходят сквозь фольгу без отклонений, но отдельные частицы рикошетируют обратно, по направлению к источнику; б-согласно предположению Резерфорда, рикошетирующие частицы испытывают столкновение с сердцевиной атома-его ядром. Это наблюдение заставило Резерфорда выдвинуть новую модель строения атома.

В 1909 г. Резерфорд показал, что обнаруженное им ранее а-излучение обусловлено положительно заряженными атомами гелия. Однако установление истинной природы этих положительных частиц произошло лишь в 1914 г. после знаменитого эксперимента Гейгера и Марсдена.

Ханс Гейгер и Эрнест Марсден были студентами Резерфорда. В 1910 г. они проводили эксперименты, в которых бомбардировали тонкие листки золотой фольги пучком а-частиц (рис. 1.3). Одни а-частицы проходили через фольгу без отклонения (линия А), другие отклонялись от первоначального направления (линия В). Ко всеобщему удивлению, приблизительно 1 из 20 ООО частиц отклонялась назад (линия С). «Это было почти столь же невероятно,-рассказывал Резерфорд впоследствии,-как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а снаряд рикошетом вернулся назад и попал в вас». Из этого эксперимента следовало, что в центре атома находится очень малое положительно заряженное ядро, окруженное относительно удаленными от него легкими отрицательно заряженными электронами.

После этого Резерфорд предсказал существование протона и показал, что его масса более чем в 1800 раз должна превышать массу электрона.

Нейтрон. Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 г., чтобы объяснить различие между атомной массой и атомным номером (см. ниже). Экспериментально нейтрон был обнаружен в 1932 г. Дж. Чедвиком при изучении результатов бомбардировки бериллия а-частицами. Бериллий испускал при этом частипы с большой проникающей способностью, которые не отклонялись в электрическом и магнитном полях. Поскольку эти частицы были нейтральными, они получили название нейтронов.

В период открытия первых трех фундаментальных частиц (электрона, протона и нейтрона) был выдвинут целый ряд моделей строения атома (рис. 1.4). Томсонова модель «сливового пудинга» уподобляла атом сферическому «пудингу» с положительным электрическим зарядом, в который вкраплены отрицательно заряженные шарики-электроны. После эксперимента Гейгера и Марсдена в 1910 г. Резерфорд предложил другую модель, согласно которой атом состоит из очень плотного тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов. Позже, в 1913 г., Н. Бор создал планетарную модель атома, которая используется еще и в настоящее время (см. разд. 1.2). Подобно Резерфорду, Бор представлял себе атом в виде положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Однако он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по устойчивым круговым орбитам. Этим орбитам соответствуют различные энергии. Перескакивая с одной орбиты на другую, электроны могут приобретать либо терять энергию.

Кванты. В 1900 г. Макс Планк предположил, что поглощение либо испускание энергии может осуществляться только строго определенными-дискретными-порциями, названными им квантами.

Оглавление: